CN103414519A

CN103414519A - 光控微波波束形成器

Info

Publication number: CN103414519A
Application number: CN2013102708532A
Authority: CN
Inventors: 王建; 蔡海文; 杨飞; 王书楠
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2013-07-01
Filing date: 2013-07-01
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2033-07-01
Also published as: CN103414519B

Abstract

一种光控微波波束形成器，构成包括2^N个不同波长的单频DFB激光器、2^N个电光强度调制器、2^N x1无源波分复用器、光纤、1x2^N光分束器、2^N个光纤准直器、时延网络模块、2^N个耦合透镜、2^N个光电探测器和2^N个低噪声放大器，其中n为2以上的正整数，本发明具有信噪比高、动态特性好、延时精度高、连续可调、稳定性好等优点，而且便于进行***阵列规模的扩展。

Description

光控微波波束形成器

技术领域

本发明涉及宽带光控相控阵雷达，特别是一种光控微波波束形成器。

背景技术

波束形成器(BFN-Beam Forming Networks)是相控阵雷达和智能天线的核心，它通过控制阵列中各个微波链路的相位差或真延时差，使各微波辐射源的辐射场在远场的特定方向产生干涉极大，达到能量定向发射(或接收)的目的。改变各微波链路间的相位差或真延时差，以对波束的指向进行控制。

波束形成，本质上是通过处理多阵元接收（发射）以得到特定的方向图，是现代雷达和电子对抗装备具有良好战术和性能的前提和基础。

光控微波波束形成器(简称为OBFN)，是一种将光纤无线电(RoF)技术与光控相控阵天线(简称为OPAA)技术相结合的技术。其中RoF技术利用光电子器件实现电信号的调制、传输和频率变换等；其中光电子器件和***以其体积小、重量轻、损耗小、抗电磁干扰、带宽大、信道容量高等优点，可以解决传统微波毫米波***存在的诸多问题，满足未来无线通信***的需要；可应用于射频信号传输、远程天线、无线接入等领域；OPAA技术包括宽带微波信号的功率分配、定向发射等，主要应用于智能天线和相控阵雷达。采用微波移相器的波束形成器工作在宽频带下会出现波束倾斜现象，而采用真时延（True Time Delay，简称为TTD）的波束形成网络则可以克服宽频带下的波束倾斜效应；早期的TTD网络采用电学结构实现，体积大、易受电磁干扰。随着宽频带、体积小、重量轻的光学器件及光学信息处理技术的发展，人们开始寻求应用光学的方法解决波束形成的设计。

传统的采用移相器的波束形成网络存在波束倾斜效应[参见文献[1]Michael Y.Frankel and Ronald D.Esman,True Time-Delay Fiber-optic Control of an ultrawideband Array Transmitted Receiver with Multibeam Capability]，，采用宽谱光源的光学多波束形成器相对于采用单频光源的外调制链路的噪声系数高30dB以上，严重影响***的信噪比，限制***的动态范围，不适用于传输矢量信号等对噪声有较高要求的场合（参见文献[2]Reconfigurable Optical Beamformer for Simplified Time Steered Arrays，US2002/0181874A1,Dec.5,2002），因此本***采用单频光源，信号调制方式采用外调制方式；已经面世的波束形成器的时延网络部分较多采用介质的色散特性（参见文献[3]Photonic dual RF beam reception of an X band phased array antenna using a photonic crystal fiber-based true-time-delay beamformer,Harish subbaraman,Applied Optics,47,6448,2008）和光开关产生时延（参见文献[2]Reconfigurable Optical Beamformer for Simplified Time Steered Arrays，US2002/0181874A1,Dec.5,2002；文献[4]Optical beam former for high frequency antenna arrays）,对于采用色散特性的时延网络，存在不易有效快速控制波束扫描，波束扫描速度慢，响应速度慢，延时精度不高，实时性差，可操作性不强等缺点；由于光开关较为昂贵，对4x4光学波束形成器，需采用的光开关数目为16个产生不同的时延，且不能实现时延的连续可调，采用光开关组成时延阵列，则会造成成本昂贵，控制结构复杂，只能实现部分波束的扫描，实用化价值不高；

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术的不足，提供一种光控微波波束形成器，该波束形成器具有信噪比高、动态特性好、延时精度高、连续可调、稳定性好等优点，而且便于进行***阵列规模的扩展。

本发明技术解决方案如下：

一种光控微波波束形成器，特点在于其构成包括2^N个不同波长的单频DFB激光器、2^N个电光强度调制器、2^N x1无源波分复用器、光纤、1x2^N光分束器、2^N个光纤准直器、时延网络模块、2^N个耦合透镜、2^N个光电探测器和2^N个低噪声放大器，其中n为2以上的正整数，上述元部件的位置关系如下：

2^N个不同波长的单频激光器的输出端分别与2^N个电光强度调制器的光信号输入端相连，相控阵雷达阵列单元捕获的RF信号经由电光强度调制器的电信号输入端相连，所述的2^N个电光强度调制器的输出端分别与所述的2^N x1无源波分复用器件的2^N输入端相连，该2^N x1无源波分复用器件的输出端接所述的光纤的一端，该光纤的另一端接所述的1x2^N光分束器的输入端，该1x2^N光分束器的2^N输出端分别与2^N个光纤准直器的输入端相连，该2^N个光纤准直器的输出端与所述的时延网络模块的2^N输入端相对应，该时延网络模块包含2^N路光程差可调的时延网络单元，每个时延网络单元的输出端依次经耦合透镜、光电探测器和低噪声放大器相连。

所述的时延网络模块由45°角直角棱镜组成，包括第一直角棱镜组的直角棱镜的数目分别为2n-1，2n-2，…2，1，0；第二直角棱镜组的直角棱镜的数目分别为0，1，2，…2n-1；第三直角棱镜组的直角棱镜的数目分别为2n-1，2n-1，…2n-1；第一直角棱镜组、第二直角棱镜组和第三直角棱镜组自上而下设置，第二直角棱镜组中直角棱镜的斜边与第三直角棱镜组中直角棱镜的斜边相对且间隔为0地固定在同一个横平面上，第二直角棱镜组中直角棱镜的斜边中点对应的横坐标与第三直角棱镜组中直角棱镜的斜边的端点对应的横坐标一致，第一直角棱镜组的直角棱镜的斜边与第三直角棱镜组中直角棱镜的斜边相对，间距为d，并且第一直角棱镜组的直角棱镜的斜边的中点对应的横坐标与第三直角棱镜组中直角棱镜的斜边的端点对应的横坐标一致，所述的第一直角棱镜组在电机驱动下调整第一直角棱镜组与第三直角棱镜组的间距d，入射的平行光束先入射到第三直角棱镜组相应的直角棱镜，经第三直角棱镜组、第二直角棱镜组和第一直角棱镜组的直角棱镜光线折返和玻璃介质中的光程延时补偿后由第二直角棱镜组或第一直角棱镜组输出，送入耦合透镜。

相控阵天线阵列送入的微波信号RF由电光调制器的RF电信号输入端输入，DFB激光器的输出光输入到EOM的光信号输入端，由于电光效应，在EOM的输出光束上便会载有该RF信号的信息，2^N路诸如此类的调制有RF信号的光波信号经密集波分复用器复用到一路光纤上，经过光纤传输，在远端由无源分束器件分束得到分开的2^N路光波信号，该2^N路光波信号然后经过光纤准直器将光纤光变为强度相同的2^N束自由空间光，送入时延网络模块的2^N组棱镜组以产生不同的时延；由棱镜组出射的含有2^N个波长的平行光由透镜耦合进光电探测器的感光面上；探测的信号经低噪声放大器LNA进行放大输出。通过调整透镜组的相对位置，可以实现对空间多波束的连续扫描；

本装置的最基本的原理是干涉理论，相邻两束波经过相控阵天线后光程差为d·sinθ，其中d为天线阵列的间距，θ为波束的极化角（或方位角）。当两束波在棱镜组中传输的光程差与d·sinθ之差为波长的整数倍时，干涉加强，根据探测到的信号情况，可以波束的方位角。由于相控阵雷达接收的信号在GHz量级，因此可行的操作是使二者相等，即光程差为零；

本发明与在先技术相比，具有以下优点：

1.现有的采用宽谱光源的光学多波束形成器虽然是无波束倾斜，但链路噪声比采用单频光链路的噪声高30dB以上，严重影响***的信噪比，限制***的动态范围，不适用于传输矢量信号等对噪声有较高要求的场合，且宽谱光源在宽带范围内信号的稳定性较单频光源低，本发明采用单频光源的各路信号可以进行独立的调节，能够方便调节各路的增益均衡；

2.本发明利用可调光程差作为延时，与其它采用色散技术实现延时有更高的延时精度和具有延时连续可调的功能，可以进行波束的快速连续扫描，响应速度快，实时性强，更适合于实际外场环境的应用；相比于采用光开关实现延时，能极大地减小***的成本，减小***的结构复杂性，实现波束更宽范围、连续方位角的扫描，具有更小的延时误差，相应的方位角测量误差更小，具有更高的实用价值；

附图说明

图1是本发明光学波束形成器装置的结构框图

图2是本发明实施例采用的分光技术方案

该方法将一束复用光束分成4束光束，目的是便于在后面延时网络中根据不同加载有RF信号的光波产生不同的时延；

图3是本发明时延网络模块实施例光学时延原理图

具体实施方式

先请参阅图1，图1是本发明光学波束形成器装置的结构框图，由图可见，本发明光控微波波束形成器，其构成包括2^N个不同波长的单频DFB激光器101、2^N个电光强度调制器102、2^N x1无源波分复用器103、光纤104、1x2^N光分束器105、2^N个光纤准直器106、时延网络模块107、2^N个耦合透镜108、2^N个光电探测器109和2^N个低噪声放大器110，其中n为2以上的正整数，上述元部件的位置关系如下：

2^N个不同波长的单频激光器101的输出端分别与2^N个电光强度调制器102的光信号输入端相连，相控阵雷达阵列单元捕获的RF信号经由电光强度调制器102的电信号输入端相连，所述的2^N个电光强度调制器102的输出端分别与所述的2^N x1无源波分复用器件103的2^N输入端相连，该2^N x1无源波分复用器件103的输出端接所述的光纤104的一端，该光纤104的另一端接所述的1x2^N光分束器105的输入端，该1x2^N光分束器105的2^N输出端分别与2^N个光纤准直器106的输入端相连，该2^N个光纤准直器106的输出端与所述的时延网络107的输入端相连，该时延网络107 包含2^N路光程差可调的时延网络单元，每个时延网络单元的输出端依次经耦合透镜108、光电探测器109和低噪声放大器110相连。

参见图3，图3是本发明时延网络模块实施例光学时延原理图，实施例中n＝2，

所述的4路时延网络模块107由45°角直角棱镜组成，包括第一直角棱镜组Ⅰ的直角棱镜的数目分别为3，2，1，0；第二直角棱镜组的直角棱镜的数目分别为0，1，2，3；第三直角棱镜组Ⅲ的直角棱镜的数目分别为3，3，3，3；第一直角棱镜组Ⅰ、第二直角棱镜组Ⅱ和第三直角棱镜组Ⅲ自上而下设置，第二直角棱镜组Ⅱ中直角棱镜的斜边与第三直角棱镜组Ⅲ中直角棱镜的斜边相对且间隔为0地固定在同一个横平面上，第二直角棱镜组Ⅱ中直角棱镜的斜边中点对应的横坐标与第三直角棱镜组Ⅲ中直角棱镜的斜边的端点对应的横坐标一致，第一直角棱镜组Ⅰ的直角棱镜的斜边与第三直角棱镜组（Ⅲ）中直角棱镜的斜边相对，间距为d，并且第一直角棱镜组Ⅰ的直角棱镜的斜边的中点对应的横坐标与第三直角棱镜组Ⅲ中直角棱镜的斜边的端点对应的横坐标一致，所述的第一直角棱镜组Ⅰ在电机驱动下调整第一直角棱镜组Ⅰ与第三直角棱镜组Ⅲ的间距d，入射的平行光束先入射到第三直角棱镜组Ⅲ相应的直角棱镜，经第三直角棱镜组Ⅲ、第二直角棱镜组Ⅱ和第一直角棱镜组Ⅰ的直角棱镜光线折返和玻璃介质中的光程延时补偿后由第二直角棱镜组Ⅱ或第一直角棱镜组Ⅰ输出，送入耦合透镜。

通过步进电机连续步进调整第一棱镜组和第三棱镜组之间的距离的，可以实现对各调制有RF信号的光波的扫描，也就是实现了对RF信号幅度和方位角参数的测量；第Ⅱ组棱镜中加入一些棱镜作光程延迟是为了消除各光波在棱镜中传输产生的光程差，使光程差只依赖于棱镜组Ⅰ与Ⅱ、Ⅲ的边界之间的距离d大小；对于2nx2n网络，第一棱镜组Ⅰ、第二棱镜组Ⅱ、第三棱镜组Ⅲ的直角棱镜数目分别为2n-1，2n-2，…2，1，0和0，1，2，…2n-1和2n-1，2n-1，…2n-1；

相控阵天线阵列接收的微波信号RF由电光调制器102调制到DFB激光器101的出射光上，4路波长间隔为100GHz的单频光载波上均调制有不同频率的RF信号，4路调制有RF信号的光波信号经密集波分复用（DWDM）器件103复用到一路光纤上，经过一段长度的光纤104传输，在远端由无源分束器件（Splitter）105分束得到分开的4路光波信号，然后经过光纤准直器106将光纤光变为自由空间光，送入时延网络模块107以产生不同的时延；由棱镜组111出射的含有4个波长的平行光由透镜108耦合进光电探测器109的感光面上；探测的信号经低噪声放大器LNA110进行放大。通过调整透镜组111的相对位置，可以实现对空间多波束的连续扫描；延时网络模块107采用集成光学技术实现光学多波束时延网络，可以实现每路时延的精密调节和连续变化，并且对环境的温度变化不敏感，可以实现对不同方位角的RF信号的测量，非常适合于实际的战场环境下的应用。

时延网络模块中，第Ⅱ棱镜组、Ⅲ组棱镜组加入了一些棱镜为消除在各组光在三棱镜中传输产生的时延，使时延仅有在空气介质中传输的路径决定；

欲产生时延为23.92ps，则2d/c=t,d=ct/2=3*10^8*23.92*10^(-12)/2=3.6mm;对应11.5°入射RF信号入射角；

产生时延为59.82ps，则d1=ct/2=3*10^8*59.82*10^(-12)/2=9mm;对应29.9°RF信号入射角；

对于模块裝校，将第Ⅱ组（下面一组）棱镜组固定调整好，第Ⅰ组棱镜在同一水平线上（横向）固定，垂直方向连续可调，通过驱动电机调节垂直方向d的大小，产生连续可调的时延，能够探测不同方位角的RF信号。

本实施例，我们采用的4＝2²路单频激光器的波长为ITU规定的标准通道，便于采用ITU信道间隔100GHz的密集波分复用器件DWDM；通过选择波分复用器件的通道数和增加单频光源的数目可以方便的扩展阵列数量，产生16x16，32x32波束形成器。

Claims

1.一种光控微波波束形成器，特征在于其构成包括2^N个不同波长的单频DFB激光器（101）、2^N个电光强度调制器（102）、2^N x1无源波分复用器（103）、光纤（104）、1x2^N光分束器（105）、2^N个光纤准直器（106）、时延网络模块（107）、2^N个耦合透镜（108）、2^N个光电探测器（109）和2^N个低噪声放大器（110），其中n为2以上的正整数，上述元部件的位置关系如下：

2^N个不同波长的单频激光器（101）的输出端分别与2^N个电光强度调制器（102）的光信号输入端相连，相控阵雷达阵列单元捕获的RF信号送入电光强度调制器（102）的电信号输入端，所述的2^N个电光强度调制器（102）的输出端分别与所述的2^N x1无源波分复用器件（103）的2^N输入端相连，该2^N x1无源波分复用器件（103）的输出端接所述的光纤（104）的一端，该光纤（104）的另一端接所述的1x2^N光分束器（105）的输入端，该1x2^N光分束器（105）的2^N输出端分别与2^N个光纤准直器（106）的输入端相连，该2^N个光纤准直器（106）的输出端与所述的时延网络（107）的输入端相连，该时延网络（107）包含2^N路光程差可调的时延网络单元，每个时延网络单元的输出端依次经耦合透镜（108）、光电探测器（109），由低噪声放大器（110）输出微波信号。

2.根据权利要求1所述的光控微波波束形成器，其特征在于所述的2^N路时延网络模块（107）由45°角直角棱镜组成，包括第一直角棱镜组（Ⅰ）的直角棱镜的数目分别为2n-1，2n-2，…2，1，0；第二直角棱镜组（Ⅱ）的直角棱镜的数目分别为0，1，2，…2n-1；第三直角棱镜组（Ⅲ）的直角棱镜的数目分别为2n-1，2n-1，…2n-1；第一直角棱镜组（Ⅰ）、第二直角棱镜组（Ⅱ）和第三直角棱镜组（Ⅲ）自上而下设置，第二直角棱镜组（Ⅱ）中直角棱镜的斜边与第三直角棱镜组（Ⅲ）中直角棱镜的斜边相对且纵向间隔为0地固定在同一个水平面上，第二直角棱镜组（Ⅱ）中直角棱镜的斜边中点对应的横坐标与第三直角棱镜组（Ⅲ）中直角棱镜的斜边的端点对应的横坐标一致，第一直角棱镜组（Ⅰ）的直角棱镜的斜边与第三直角棱镜组（Ⅲ）中直角棱镜的斜边相对，间距为d，并且第一直角棱镜组（Ⅰ）的直角棱镜的斜边的中点对应的横坐标与第三直角棱镜组（Ⅲ）中直角棱镜的斜边的端点对应的横坐标一致，所述的第一直角棱镜组（Ⅰ）在电机驱动下调整第一直角棱镜组（Ⅰ）与第三直角棱镜组（Ⅲ）的间距d，入射的平行光束先入射到第三直角棱镜组（Ⅲ）相应的直角棱镜，经第三直角棱镜组（Ⅲ）、第二直角棱镜组（Ⅱ）和第一直角棱镜组（Ⅰ）的直角棱镜光线折返和玻璃介质中的光程延时补偿后由第二直角棱镜组（Ⅱ）或第一直角棱镜组（Ⅰ）输出，送入耦合透镜。